JP2778820B2 - ガスタービン制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は例えば、液体燃料とガス燃料等の複数系統の
燃料を切替使用して発電を行なうガスタービン制御装置
において、特に安定した燃料切替制御を行ない得るよう
にしたガスタービン制御装置に関する。

（従来の技術） 従来から、例えばガス燃料と灯油燃料等の２系統の燃
料を切替えて発電を行なうガスタービン発電機が実用に
供されているが、近年の石炭ガス化コンバインドサイク
ル、高炉ガス利用のガスタービン等の進展に伴ない、そ
の重要性、特に燃料切替時の温度、負荷の安定制御性が
再認識されてきている。ここで、石炭ガス化コンバイン
ドサイクルにおいて、ガスタービン発電機が２系統の燃
料を使用する必要性は次のような理由によるものであ
る。

（ａ）安全性 石炭ガスは、水素、一酸化炭素を多く含む中カロリー
または低カロリーのガスであり、ガスタービンの起動初
期からこの石炭ガスを使用することは、失火時の爆発性
エアリッチのガスの滞留の問題がある。また、停止時に
燃料制御弁のリークがあった場合にも、爆発性のガスが
滞留することになり、危険である。さらに、着火時につ
いてもカロリー、性状の安定しない石炭ガスは好ましく
ない。従って、起動停止時には必ず液体燃料を使用し、
安全運転に到達した後にガス燃料に切替える操作が必要
である。この場合、停止時には石炭ガスから液体燃料に
切替えた後に起動する。

（ｂ）運転性 石炭ガス化プロセスは多くの所内補機を有し、石炭ガ
スを発生させるまでの間所内動力を確保する面からも、
プラント起動時に石炭ガス以外の液体燃料を使用するこ
とことが必要である。また、プラントの耐力という面か
らも、石炭ガス化プロセスの異常時にプラントを全停す
ることなく、石炭ガス以外の燃料に切替えて発電を継続
できることは、系統運用上からも好ましいことである。

第４図はガスタービンおよびその制御装置の一般的な
構成例を示したものである。第４図において、ガスター
ビン系は圧縮機１と、燃焼器２、制御対象としてのガス
タービン３と、発電機４から構成されている。つまり、
圧縮機１で大気より吸入した空気を圧縮して燃焼器２に
送り、この燃焼器２内で圧縮空気をガス燃料側の燃料制
御弁５または液体燃料側の燃料制御弁９により制御され
て送られてくる燃料と混合して高温の，燃焼ガスを得、
さらにこの燃焼ガスをガスタービン３に導入し、タービ
ン軸を回転させて発電機４を駆動するようになってい
る。

一方、上述のガス燃料側の燃料制御弁５または液体燃
料側の燃料制御弁９は、ガスタービン制御装置11により
調節制御される。このガスタービン制御装置11は、負荷
制御系12、速度負荷制御部13、起動制御部14、排気温度
制御部15等の制御回路と、低値優先回路16と、液体燃料
またはガス燃料を切替選択する燃料切替回路10とから構
成されている。つまり、負荷制御部12は発電機出力検出
器８からの出力信号を入力して目標とする発電機出力と
なるように制御信号を速度負荷制御部13へ出力し、この
制御信号に速度負荷制御部13の定格回転数運転時での調
速制御信号を加算し、燃料制御弁開度指令信号Ａを出力
する。また、起動制御部14は起動時における着火、着火
検出後の暖機、そして暖機後の昇速制御信号をタービン
軸回転数検出器７からの回転数信号の関数として与え、
無負荷定格回転数に到達するまでの燃料制御を行なうべ
く燃料制御弁開度指令信号Ｂを出力する。さらに、排気
温度制御部15は、タービン排気温度検出器６からの信号
を入力してタービン排気温度が温度上昇する際の制限制
御を行なうべく燃料制御弁開度指令信号Ｃを出力する。

また、上述の各燃料制御弁開度指令信号A,B,Cは低値
優先回路16に入力され、これらの中から最小値のものが
選択されて燃料制御弁開度指令信号Ｄとして出力する。
なお、ここで起動制御部14からの出力信号は起動時のみ
出力されるので、燃料切替時には出力信号Ｂは存在しな
い。従って、燃料切替時には負荷制御部12からの出力信
号Ａと、排ガス温度制御部15からの信号Ｃのうちの低値
のものを燃料制御弁開度指令信号Ｄとして出力すること
になる。さらに、10は低値優先回路16からの燃料制御弁
開度指令信号Ｄを入力して燃料制御弁５または９に対す
る開度信号E,Fを選択的に出力する燃料切替回路であ
り、燃料切替時には開度信号E,Fを調節して、液体燃料
からガス燃料またはガス燃料から液体燃料への燃料の切
替を実行する制御機能を有している。

次に第５図は上述の燃料切替回路10の詳細な構成例を
示したものである。第５図において、燃料切替回路10は
上述した上位制御回路からの燃料制御弁開度指令信号Ｄ
に定数Ｋを掛けて、液体燃料側の燃料制御弁９への開度
信号Ｅを出力する乗算器17と、この乗算器17からの出力
信号Ｄ×Ｋを上述の燃料制御弁開度指令信号Ｄから減算
してガス燃料側の燃料制御弁５への開度信号Ｆを出力す
る減算器18とより構成されている。

ここで、Ｋはガス燃料か液体燃料かの比率を決めるも
ので、ガス燃料のみでガスタービンを駆動しているとき
はＫ＝０であり、液体燃料のみでガスタービンを駆動し
ているときは、Ｋ＝１である。また、燃料を切替える
時、例えばガス燃料から液体燃料に切替える場合はＫを
１から０に変化させればよい。

第６図は、液体燃料100％からガス燃料100％への切替
時における各燃料制御弁5,9の開度および発電機出力（K
W）の変化を示したものである。第６図に示すように、
時間の経過とともにＫが１から０に変化し、それに従っ
て各制御弁開度E,Fが変化し、切替完了時（Ｋ＝０）に
はガス燃料制御弁５の開度Ｆは開度Ｄ′となり、液体燃
料制御弁９の開度Ｅは全閉となり、液体燃料からガス燃
料への切替が完了する。ここで、燃料切替前の燃料制御
弁開度指令Ｄが燃料切替後にはＤ′となっているが、こ
れは燃料切替の間に常に負荷制御が働き、ガス発熱量の
設計値よりのずれを補正して発電機出力を設定値に合せ
るべく、常に燃料制御弁開度指令信号Ｄが変化している
ためで、Ｄ′＞Ｄはすなわちガス発熱量が設計値よりも
低かった場合である。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、このようなガスタービン制御装置にお
いて、前述した燃料切替手段では次のような問題点があ
る。

従来の燃料切替は、速度負荷制御部13を使用して行わ
れるが、この速度負荷制御部13は負荷制御の他に電力系
統の周波数安定化のためのガバナーフリー機能を有して
いる。即ち、速度負荷制御部13は負荷制御部12からの負
荷変化指令に対し、系統周波数（ガスタービン回転数）
の偏差の調定率制御分を加味して燃料制御弁開度指令を
出力している。従って、系統周波数が安定している電力
系統の場合は問題ないが、常に周波数が変動するような
場合はこの影響が燃料制御弁開度信号に重畳され、燃料
切替時の変動要因となる。

例えば、調定率４％で、0.1Hz（定格50Hz）の偏差で
は、５％の負荷変動を生じることになる。第６図の信号
の微少な変動はこのガバナフリーの影響を示している。

低カロリーガスで更にガス発熱量、ガス圧力が安定し
ない場合は更に変動を助長することになる。また、この
変動分は燃料切替負荷を下げる場合の障害にもなる。な
お、燃料切替負荷を下げることは起動時のガス消費の経
済性向上、起動時間短縮にもつながる重要な要素であ
る。

以上のような従来の燃料切替制御手段では、制御回路
は簡単であるが、前述したように低発熱量で、且つ圧力
変動のあるガス燃料に対しては適切なものではない。

本発明は上述したような問題点を解決するためになさ
れたもので、その目的は複数系統の燃料を切替える場合
の運転の安定性を向上し、高信頼で、且つ経済性の高い
ガスタービン制御装置を提供しようとするものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は上記の目的を達成するため、圧縮機、この圧
縮器で圧縮された大気が与えられると共に種類の異なる
第１の燃料、第２の燃料が供給されるとこれらの燃料を
燃焼する燃焼器、この燃焼器により供給される前記第１
の燃料および第２の燃料を制御する第１の燃料制御弁お
よび第２の燃料制御弁とを備え、前記燃焼器により燃焼
したガスにより発電機を回転駆動して発電を行なうガス
タービンにおいて、前記ガスタービンの実負荷相当信号
をフィードバック信号として入力し、目標とする発電機
出力となるように負荷制御信号を出力する負荷制御部
と、この負荷制御部から負荷制御信号を受けるとこの負
荷制御信号に系統周波数またはこれに相当する信号によ
るガバナフリー信号を重畳して第１の燃料制御弁開度指
令信号を出力する速度負荷制御部と、前記負荷制御部か
ら負荷制御信号を受けると第２の燃料制御弁開度指令信
号を出力する負荷制限制御部と、前記ガスタービンの排
気温度相当信号をフィードバック信号として入力し、目
標とする排気温度となるように温度制御信号を出力する
排気温度制御部と、前記速度負荷制御部、または負荷制
限制御部、排気温度制御部からの各信号のうちの最小値
の信号を燃料制御弁，第２の燃料制御弁に対する第１の
開度信号，第２の開度信号を選択的に出力して、第１の
燃料から第２の燃料または第２の燃料から第１の燃料の
切替を行なう燃料切替回路と、前記第１および第２の燃
料の切替開始前の信号が入力されるとその出力により前
記負荷制限制御部を選択して該負荷制限制御部に前記負
荷制御部からの負荷制御信号を与えると共に前記速度負
荷制御部に対して前記最小値の信号によりトラッキング
させるトラッキング回路を形成し、前記第１および第２
の燃料の切替開始後の信号が入力されるとその出力によ
り前記速度負荷制御部を選択して該速度負荷制御部に前
記負荷制御部からの負荷制御信号を与えると共に前記速
度負荷制御部に対して前記最小値の信号によりトラッキ
ングさせるトラッキング回路を形成する切替制御部とか
ら構成したものである。

（作用） このような構成のガスタービン制御装置において、速
度負荷制御部が選択された燃料切替開始前の状態にある
とき、切替制御部により負荷制限制御部に切替られる
と、速度負荷制御部から負荷制限制御部の出力信号と温
度制御部の出力信号の低値信号が燃料切替回路に与えら
れる。この負荷制限制御部の出力信号は系統周波数（タ
ービン実速度と同じ）による調定率制御の影響を受けな
いスムーズな信号のため、第１の燃料制御弁、第２の燃
料制御弁に与えられる信号もスムーズな信号であり、そ
の後の切替は安定して行なわれる。燃料切替が完了する
と切替制御部からの切替信号により負荷制限制御部から
速度負荷制御部の出力信号に切替えられ、燃料切替開始
前の状態に戻る。この場合、速度負荷制御部から負荷制
限制御部への切替え、負荷制限制御部から速度負荷制御
部への切替え時点においてはいずれもトラッキング回路
により燃料切替回路に与えられる低値の信号にトラッキ
ングさせているので、切替後の燃料制御を安定に行なう
ことが可能である。

従って、このような切替方式を採用すれば、ガバナフ
リー制御による影響を受けない負荷制限制御部より出力
される燃料制御指令により燃料切替制御が行なわれるの
で、燃料切替時の制御の安定性を向上させることがで
き、信頼性の高いガスタービンの制御が可能である。

（実施例） 以下本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は音発明によるガスタービン制御装置の概略構
成例を示すブロック図である。本実施例では、第１図に
示すように従来の制御系の負荷制御部12、速度負荷制御
部13、起動制御部14および温度制御部15に加え、負荷制
御部12からの信号を受けて燃料弁開度指令信号を出力す
る負荷制限制御部19と、速度負荷制御部13と負荷制限制
御部19の何れかに切替える切替制御部20とを備えたもの
である。この場合、負荷制限制御部19は速度負荷制御部
13のように系統周波数（ガスタービン回転数）に起因す
るガバナーフリー信号を重畳しない構成となっている。

ここで、上記制御装置の各制御部の構成の詳細を第２
図により説明する。

第２図において、負荷制御部12は発電機の実出力（M
W）と設定値との偏差を求める加算器12aと、この加算器
12aから出力される偏差に応じた制御信号を出力するコ
ントローラ12bとから構成されている。速度負荷制御部1
3は負荷制御部12から負荷制御指令を受けると基幹信号
を作成する速度負荷制御器13aと、この速度負荷制御器1
3aの出力信号に加算器13bにより求められた速度設定値
と実速度との偏差を、加算器13cで加算して入力され、
燃料制御弁開度指令信号を出力する調停率制御器13d
と、速度負荷制御部13の非選択時に速度負荷制御器13a
に低値優先回路16の出力信号にバイアス値αを加算器13
eにより加算したトラッキング信号を入力するトラッキ
ング回路とから構成されている。負荷制限制御部19は負
荷制御部12から負荷制御指令を受けると燃料制御弁開度
指令信号を作成する負荷制限制御器19aと、負荷制限制
御部19の非選択時に負荷制限制御器19aを低値優先選択
回路16の出力信号にバイアス値βを加算器19bにより加
算したトラッキング信号を入力するトラッキング回路と
から構成されている。切替制御部20は燃料切替開始前に
負荷制限制御部19を選択とし、速度負荷制御部13を非選
択とする信号を出力する第１のリレー回路20aと、燃料
切替終了後に再度速度負荷制御部13を選択とし、負荷制
限制御部19を非選択とする信号を出力する第２のリレー
回路20bとから構成され、この第１のリレー回路20a、第
２のリレー回路20bは燃料選択指令S1により第１のリレ
ー回路20aが復帰動作し、燃料選択指令S2により第２の
リレー回路20が復帰動作することにより、速度負荷制御
部13と負荷制限制御部19との切替が可能になっている。

なお、第２図において、起動制御部14、温度制御部1
5、低値優先回路16および燃料切替回路10の各機能は従
来と同様なので、ここではその説明を省略する。

次に上記のように構成されたガスタービン制御装置の
作用を第３図に示す燃料切替の過程における制御関連信
号の変化状態図を参照しながら説明する。

先ず、第２図において、燃料切替前は燃料選択指令S2
により第１のリレー回路20aのリレーR1が励磁状態にあ
るので、速度負荷制御部13のリレー接点R1−1,R1−２は
閉、R1−３の開の状態にあり、負荷制御部12の出力が制
御信号として選択されている。この時、負荷制限制御部
19のリレー接点R2−1,R2−２は開で、R2−３が閉状態に
あり、負荷制限制御器19aに低値選択回路16の出力信号
にバイアスβを加算した値がトラッキング信号として与
えられている。この状況は第３図では負荷制限制御使用
開始前の速度負荷制御中の部分で燃料制御弁開度指令信
号Ｄ（＝Ｅ）がガバナフリー制御のため、若干変動して
いる。

次に燃料選択指令S1により第２のリレー回路20bのリ
レーR2が励磁されると、第１のリレー回路20aのリレーR
1の出力接点R1−1,R1−２が開となり、R2−1,R2−２が
閉となり、負荷制御部12の出力信号が速度負荷制御部13
から負荷制限制御部19に切替えられて入力する。同時に
出力接点R2−３は開となりR1−３が閉となるので、非選
択となった速度負荷制御器13aには低値選択回路16の出
力信号にバイアス値αが加算された信号が与えられ、速
度負荷制御器13aはこの値にトラッキングする。この状
況は第３図に制御切替中という名称で説明している。そ
して、制御切替が完了すると負荷制限制御部19の出力信
号が燃料制御に使われることになり、第３図に示すよう
に燃料切替完了までは安定した信号（即ち、ガバナフリ
ーの影響を受けない信号）が燃料制御弁開度信号として
低値選択回路16に与えられることになる。

その後の燃料切替は従来技術の項で記載した手段と同
様に行なわれる。そして、燃料切替が終了すると、燃料
選択切替指令S2を切替制御部20の第１のリレー回路20a
に与えてリレーR1を励磁することにより、負荷制限制御
部19から速度負荷制御部13へ切替が行なわれ、燃料制御
は燃料切替前の速度負荷制御部13の制御に戻る。

以上のように発熱量の異なったまたは設計条件よりず
れた発熱量であっても、任意の負荷において液体燃料か
らガス燃料またはガス燃料から液体燃料への燃料切替を
安定に、しかも安全に実施することができる。

尚、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、次のようにしても実施できるものである。

（ａ）上記実施例では、ガス燃料と液体燃料の２系統の
燃料の場合を述べたが、この２種類の燃料の性状は特に
問われるものではない。

（ｂ）上記実施例では、本発明をガス燃料と液体燃料の
２系統の燃料に適用した場合を述べたが、これに限らず
２系統以上の３系統、４系統の燃料の場合でも、燃料切
替回路の追加で対応可能である。

（ｃ）上記実施例では、燃料切替時の負荷指令値は一定
と考えたが、本発明は特に負荷が一定でなくても負荷変
化中でも適用可能であり、また燃料圧力が変動している
時でも片方の燃料制御系が正確に制御される程度の変動
であれば適用することが可能である。

その他、本発明はその要旨を変更しない範囲で種々変
形して実施することができるものである。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、複数系統の燃料を
切替える場合における負荷制御系、温度制御系への外乱
をなくして安定した燃料切替を行なうことができる極め
て信頼性の高いガスタービン制御装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるガスタービン制御装置の一実施例
の概略構成を示すブロック図、第２図は同実施例におけ
る制御装置の内部構成を詳細に示す回路図、第３図は同
実施例における燃料切替の状況を制御信号関連信号の変
化として示す作用説明図、第４図は従来の一般的なガス
タービンおよびその制御装置の一例を示す構成説明図、
第５図は第４図における燃料切替回路の構成例を示すブ
ロック図、第６図は従来の燃料切替時の作用説明図であ
る。 １……圧縮器、２……燃焼器、３……タービン、４……
発電機、5,9……燃料制御弁、６……温度検出器、７…
…速度検出器、10……燃料切替回路、11……ガスタービ
ン制御装置、12……負荷制御部、13……速度負荷制御
部、13a……速度負荷制御器、13b,13c,13e……加算器、
13d……調定率制御器、14……起動制御部、15……温度
制御部、16……低値選択回路、17……乗算器、18……減
算器、19……負荷制限制御部、19a……負荷制限制御
器、19b……加算器、20……切替制御部、20a……第１の
リレー回路、20b……第２のリレー回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02C 9/40 F02C 9/28 F02C 9/26

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機、この圧縮器で圧縮された大気が与
   えられると共に種類の異なる第１の燃料、第２の燃料が
   供給されるとこれらの燃料を燃焼する燃焼器、この燃焼
   器により供給される前記第１の燃料および第２の燃料を
   制御する第１の燃料制御弁および第２の燃料制御弁とを
   備え、前記燃焼器により燃焼したガスにより発電機を回
   転駆動して発電を行なうガスタービンにおいて、 前記ガスタービンの実負荷相当信号をフィードバック信
   号として入力し、目標とする発電機出力となるように負
   荷制御信号を出力する負荷制御部と、この負荷制御部か
   ら負荷制御信号を受けるとこの負荷制御信号に系統周波
   数またはこれに相当する信号によるガバナフリー信号を
   重畳して第１の燃料制御弁開度指令信号を出力する速度
   負荷制御部と、前記負荷制御部から負荷制御信号を受け
   ると第２の燃料制御弁開度指令信号を出力する負荷制限
   制御部と、前記ガスタービンの排気温度相当信号をフィ
   ードバック信号として入力し、目標とする排気温度とな
   るように温度制御信号を出力する排気温度制御部と、前
   記速度負荷制御部、または負荷制限制御部、排気温度制
   御部からの各信号のうちの最小値の信号を燃料制御弁，
   第２の燃料制御弁に対する第１の開度信号，第２の開度
   信号を選択的に出力して、第１の燃料から第２の燃料ま
   たは第２の燃料から第１の燃料の切替を行なう燃料切替
   回路と、前記第１および第２の燃料の切替開始前の信号
   が入力されるとその出力により前記負荷制限制御部を選
   択して該負荷制限制御部に前記負荷制御部からの負荷制
   御信号を与えると共に前記速度負荷制御部に対して前記
   最小値の信号によりトラッキングさせるトラッキング回
   路を形成し、前記第１および第２の燃料の切替開始後の
   信号が入力されるとその出力により前記速度負荷制御部
   を選択して該速度負荷制御部に前記負荷制御部からの負
   荷制御信号を与えると共に前記速度負荷制御部に対して
   前記最小値の信号によりトラッキングさせるトラッキン
   グ回路を形成する切替制御部とから構成したことを特徴
   とするガスタービン制御装置。